基于malab的微網仿真模型研究

基于malab的微網仿真模型研究

0電磁機電系統(tǒng)仿真微網是將分布電源、負載、電源和控制裝置整合而成的一個可控單元。它為分布式電源提供了一種新的運行方式。其仿真模型是分析微網復雜的電磁機電暫態(tài)過程、優(yōu)化規(guī)劃與運行、穩(wěn)定性分析、控制保護等各項技術研究的必要手段。目前的仿真工具缺乏微網模型,而且微網內部含有大量電力電子裝置,現有仿真工具難以準確仿真微網及含微網的配電網。本文在MATLAB仿真環(huán)境下,對光伏陣列、質子交換膜燃料電池2種常見微電源進行了建模與仿真,同時結合無差拍(deadbeat)控制的單相并網逆變器模型,構成了簡單的微網模型。1商提供的重要技術參數本文采用的光伏陣列模型基于工程用太陽電池的模型,采用供應商提供的重要技術參數,包括短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um、最大功率點功率Pm,保證一定精度并復現光伏陣列特性。光伏陣列模型描述如下。1求解op-1-2e-1,3,4-四氫-1,3,4-o-3,4-msc1,3,4.2.3,4.3.3Ι=Ιsc[1-c1(expUoc2Uoc-1)](1)I=Isc[1?c1(expUoc2Uoc?1)](1)式中:c1和c2根據最大功率點時U=Um,I=Im,以及開路狀態(tài)下I=0,U=Uoc計算得到,c1=(1-ΙmΙsc)exp-Umc2Uoc(2)c2=UmUoc-1ln-11-ΙmΙsc)(3)2太陽輻射光伏電池溫度cΙ=Ιsc[1-c1(expU-ΔUc2Uoc-1)]+ΔΙ(4)式中:ΔU=-βΔΤ-RsΔΙ(5)ΔΙ=αγΔΤγrefcosθ+(γγrefcosθ-1)Ιsc(6)ΔΤ=Τc-Τref(7)Τc=Τa+tcγcosθ(8)γref和Tref分別為太陽輻射和光伏電池溫度參考值,一般取為1kW/m2,25℃;α和β分別為參考日照下,電流和電壓變化溫度系數,單位A/℃,V/℃;Rs為光伏模塊的串聯電阻,單位Ω;θ為太陽輻射角度,即光的入射角;γ為任意太陽輻射強度,單位W/m2;Tc為太陽電池溫度,單位℃;Ta為環(huán)境溫度,單位℃;tc為太陽電池模塊的溫度系數,單位℃·m2/W。該模型考慮了環(huán)境溫度、太陽輻射強度、太陽入射角度等環(huán)境因素對光伏陣列I-U特性的影響,能夠較準確地復現任意組合的光伏陣列。2氮氣流場特性分析質子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)具有低運行溫度、比能量高、響應快速、啟動快速、穩(wěn)定性好、壽命長,以及無環(huán)境污染等特點,非常適合應用于功率在200kW～2MW的分散式電站。PEMFC有3個主要組成部分:陽極,固體聚合物層和陰極。PEMFC采用集中式參數模型,其模型建立如下。在PEMFC陽極側,氫氣的壓力受流入氫氣流量、流出氫氣和反應消耗氫氣流量的影響,可得氫氣壓力特性方程式為:dΡΗ2dt=RΤVa[mΗ2,Ι-Κa(ΡΗ2-ΡΗ2,B)-ΙΝ2F〗(9)式中:PH2為氫氣分壓,單位Pa;Va為陽極流場總體積,單位cm3;R=8.314J/(mol·K),為氣體常數;T為電池工作溫度,單位K;mH2,I為流入氫氣流量,單位mol/s;Ka=6.435×10-7mol/(s·Pa),為陽極流量系數;PH2,B為氫氣排除壓力,單位Pa;N為單電池數量;F=96485C/mol,為法拉第常數;I為PEMFC的負載電流。同理,可得氧氣壓力特性方程為:dΡΟ2dt=RΤVc[mΟ2,Ι-Κc(ΡΟ2-ΡΟ2,B)-ΙΝ2F〗(10)式中:PO2為氧氣分壓,單位Pa;Vc為陰極流場總體積,單位cm3;MO2,I為流入氧氣流量,單位mol/s;Kc=6.435×10-7mol/(s·Pa),為陰極流量系數;PO2,B為氧氣排除壓力,單位Pa。單電池的輸出電壓Vcell基本表達式為:Vcell=EΝemst-Vact-Vohmic-Vcon(11)式中:ENemst為熱動力電勢;Vact為活化極化電勢;Vohmic為歐姆極化電勢;Vcon為濃差極化電勢;所有量的單位均為V。根據氫/氧燃料電池的能斯特方程,可得:EΝemst=12FΔG-ΔS(T-Tref′)+RTln(10-5ΡΗ2)+12ln(10-5ΡΟ2))2〗(12)式中:ΔG=237.18kJ/mol,為吉布斯自由能;ΔS為標準摩爾熵,值為163.15mol·K;Tref′為參考溫度,取298.15K。在陽極和陰極活化均有極化電勢,其和為:Vact=ε1+ε2T+ε3TlnρO2+ε4TlnI(13)式中:εi(i=1,2,3,4)為在流體動力、熱動力以及電化學基礎上通過實驗數據擬合得到的模型系數;ρO2為陰極催化劑界面溶解氧氣濃度,由Herry定律,可由下式確定:ρΟ2=ΡΟ25.08×109exp(-498Τ)(14)Vohmic可用歐姆定律方程表示為:Vohmic=-Ι(RΜ+Rc)(15)式中:Rc為阻礙質子通過質子膜的阻抗;RM=rMl/A為質子膜的等效膜阻抗;l為質子交換膜的厚度;A為膜的活化面積;rM為電阻率,是膜特性和類型、溫度、膜水含量或濕化程度以及電流密度的函數,可由如下經驗公式確定:rΜ=181.6[1+0.03ΙA+0.062(Τ303)2(ΙA)2.5](λ-0.0643-3ΙA)exp(4.18(Τ-303)Τ)(16)λ為質子交換膜的含水量。濃差過電壓Vcon由質量傳輸產生,可表示為:Vcon=-Bln(1-JJmax)(17)式中:B為常量,與電池的類型和運行狀態(tài)有關;J為電流密度;Jmax為最大電流密度。在PEMFC中存在雙層電荷層現象,它們之間產生一個電壓,通過在極化電阻兩端并聯一個電容C進行等效。在綜合考慮熱力特性、質量傳遞和動力特性后,PEMFC輸出電壓應作如下修正:Vcell=EΝemst-Vohmic-Vd(18)式中:Vd為總極化過電壓,表示為{dVddt=ΙC-Vdττ=C(Vact+Vcon)Ι(19)在單個電池模型基礎上,由N個單電池串聯組成的電池組,輸出電壓Vstack、功率Pstack分別為:Vstack=ΝVcell(20)Ρstack=VstackΙ(21)3lagrange三階外插光伏發(fā)電、燃料電池所輸出的為直流電能,輸入到220V交流電網中時需要逆變器將直流電轉變?yōu)榻涣麟姟τ谝恍┬∪萘康奈㈦娫?可以通過單相逆變器接入單相電網。圖1為無差拍控制的脈寬調制(PWM)單相電壓型逆變器原理圖。圖1中,Ud為由光伏陣列及燃料電池得到的直流電壓;u0為經逆變器后的電壓;LE為濾波電感;un為電網電壓;RE為線路等效電阻。其中PWM波形生成選擇無差拍控制方法。無差拍控制的基本思想是根據本周期以前的采樣值,計算出要達到指定的狀態(tài)和輸出所需的PWM脈沖寬度。通過調整PWM脈沖寬度,使輸出的實際電流波形接近于指令電流波形。控制算法如下。Dk為逆變器功率器件在第k次采樣周期(采樣時間為Ts)內的占空比:Dk=LΤ(Ι*k-ik)+ˉΙkRE+ˉUnkUd(22)式中:ˉΙk和ˉUnk分別為第k個周期內輸出電流與電網電壓的平均值;Ι*k=μ?Un(k+1),為輸出電流在第k個周期末的值,μ為設定的入網參考電流幅值與電網電壓幅值的比;?Un(k+1)為第k+1個周期初un的估計值。un的值在相鄰2次采樣時刻的正弦波相位差φ為100πTs,采用正弦曲線擬合的方法,可以得到平均電壓ˉUn(k+1):ˉUn(k+1)=-un(k-2)sin2φ+un(k-1)sin3φsinφ(23)式中:un(k-2)和un(k-1)分別為un在第k-2和k-1周期內的采樣值。假設入網電流i在第k個周期內線性變化,由Lagrange三階外插算法,可計算得到電流平均值ˉΙk為:ˉΙk=0.375ik-3-1.25ik-2+1.875ik-1(24)式中:ik-3,ik-2,ik-1分別為電流i在第k-3,k-2,k-1周期內的采樣值。無差拍控制器的輸出為下一周期PWM波的占空比,通過式(22)計算得到占空比來調節(jié)功率器件的通斷,即可得到所需的電流輸出。4電池模塊電路利用MATLAB/Simulink仿真工具分別建立光伏陣列、PEM電池組及無差拍控制的單相PWM逆變器的仿真模型,見附錄A圖A1～圖A4。逆變器使用UniversalBridge模塊的IGBT/二極管開關器件模型,根據式(22)～式(24)建立的無差拍控制器模塊輸出為下一周期PWM波的占空比,由PWMGenerator模塊自動產生PWM波,以控制逆變器的開關動作。按照相應的網絡結構對上述模型進行組合,即可對微網的動態(tài)行為進行仿真分析。5光伏陣列模型仿真為驗證模型的準確性,以無錫尚德公司生產的STP180s-24/AC型太陽能組件和上海河森電氣有限公司生產的H-200型PEMFC作為研究對象進行仿真實驗。STP180s-24/AC型模組共有72個太陽能電池,其最大輸出功率180W,短路電流5.29A,開路電壓44.8V,最大功率電流5A,最大功率電壓36V。為了匹配上述數據,仿真在標準測試條件下進行,即電池溫度設為25℃,太陽能輻射強度1000W/m2,入射角0°。實際仿真結果如圖2所示。圖中同時示出了該太陽能模組的I-U及P-U曲線,可以看出,算法仿真結果與實際數據一致。在驗證模塊的準確性基礎上,對光伏陣列在多云天氣條件下的日輸出功率進行仿真,結果如圖3所示。由圖3可見,在溫度18℃附近浮動,在一日內,太陽入射角度從日出時的90°,連續(xù)減小,到正午陽光直射時為0°,再不斷增加,至日落時回復至90°?？梢钥吹皆跍囟茸兓淮蟮那闆r下,光伏陣列的輸出功率變化趨勢能夠跟隨太陽輻射強度的變化。該模型能很好地模擬光伏陣列輸出功率隨環(huán)境的變化,動態(tài)跟蹤性能良好。根據上海河森電氣有限公司生產的H-200型PEMFC的資料,其參數設置為:電池個數42,電池工作溫度67℃,電池活化面積150cm2,采用美國杜邦公司的Nafion112膜,供氫流量2.6L/min。并參考文獻設定其余參數,采用階躍變化的電流作為輸入,對燃料電池堆進行仿真,結果如圖4所示。仿真至第4s時,隨著輸入電流I從2A變化至5A,電壓U從45V變化至41.5V,輸出功率P從88W增加至211.5W,效率η由0.880降至0.827;仿真至第6s時,電流I變化至10A,電壓U繼續(xù)降至39V,功率P增至43W,效率η降至0.780。由仿真結果分析看出,PEMFC隨著負載電流的增加,會導致輸出電壓的降低,雖然輸出功率保持增長